光子高阶轨道角动量制备_调控及传感应用研究进展_陈理想

光子高阶轨道角动量制备、 调控及传感 应用研究进展∗
陈理想 † 张远颖
361005) (厦门大学物理学系, 厦门
( 2015 年 3 月 23 日收到; 2014 年 5 月 4 日收到修改稿 )
光子既是经典信息也是量子信息的理想载体. 单个光子不仅可以携带自旋角动量 (与光波的圆偏振相 关), 还可以携带轨道角动量 (与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子 态构建一个高维的 Hilbert 空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自 Allen 等于 1992 年确认光子轨道角动量的 物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领 域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量 子纠缠态操控、 旋转 Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.
∗ 国家自然科学基金 (批准号: 11104233, 11474238)、 教育部新世纪优秀人才支持计划 (批准号: NCET-13-0495)、 福建省杰出青年基 金 (批准号: 2015J06002)、 福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划和厦门大学校长基金 (批准号: 2012121015) 资助的课题. † 通信作者. E-mail: chenlx@xmu.edu.cn
(a) (b)
到氧化铜微粒的传递, 并驱使后者发生转动 [12] . 因 此, 光的轨道角动量不仅是数学层次上的一个新概 念, 更是一种真实的物理存在.
(c)
(d)
(e)
图1
(a) 基模高斯光束的平面波前; (b) ℓ = 1 轨道角动量光束的等相位面; (c) ℓ = 2 具有二重螺旋的等相位面;
目前光子轨道角动量已成为国际光学领域的 一个研究热点, 在基础物理、应用物理以及天文、 生物等交叉学科中的研究中都具有重要的应用价 值
[13−15]
术是 2005 年由意大利 ICFO 光子中心 Torner 等 [26] 提出的数字螺旋成像 (digital spiral imaging). 在 这种新概念成像技术中, 待测样品的强度信息和相 位信息被记录在透射光或反射光离散的轨道角动 量谱中. 最近, 该技术被进一步用于刻画微观介质 球的尺寸和位置信息 [27] . 同时, 轨道角动量与当下 光学领域的另一个研究热点——等离激元光子学 的结合, 为纳米级尺度下动态调控光场的聚焦、 传 输与变化, 以及现代光子集成电路的设计打开了新 的思路 [28−32] . 由于光子轨道角动量本征态在数学上构成了 一组完备的正交基矢, 因此可以利用轨道角动量 来实现高维信息的编码, 这种优势不仅体现在经典 光通信领域 [33,34] , 也体现在量子通信领域 [35] . 在 经典光通信领域, 早在 1997 年, 英国 Glasgow 大学 Gibson 等 [36] 首次提出了基于轨道角动量本征模式 编码的保密通信方案. 同年, 美国 Southern California 大学的 Willner 研究组首次同时将轨道角动 量复用和偏振复用技术与高速光通信系统中的波 分复用技术有效结合, 实现了高达 2.56 Tbit/s 的自 由空间数据率 [37,38] . 他们随后又将该复用技术扩 展到支持空间模式传输的特种光纤网络 [39] . 就在 刚刚过去的 2014 年, 奥地利 Vienna 大学 Zeilinger
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地, 当 ℓ = ±3 时, 该螺旋结构还非常类似于意大利 面, 如图 1 (e) 所示. 1995 年, 澳大利亚 Queensland 大学研究组首次实验观测到了轨道角动量从光束
光是非常有趣的, 因为我们尚未完全知道它究 竟是什么, 它的一些属性仍令人捉摸不定. 关于光 是什么, 这是自古以来科学家们一直探索的问题. 现代物理学理论已经普遍认为, 光具有波粒二象 性, 即它不仅具有电磁波的宏观属性, 如频率 (v )、 波长 (λ)、 偏振态 (σ ) 和相位 (φ), 也具有粒子的微观 属性, 如能量 (E )、 动量 (p)、 自旋角动量 (S ) 和轨道 角动量 (L). 早在 1905 年, 爱因斯坦就提出了 “光量 子” 理论, 认为光的能量是一份一份的, 每一份能量 叫做 “光量子”, 简称 “光子”, 并利用公式 E = hv , 将微观单个光子的能量和宏观电磁波的频率联系 起来. 受此启发, 德布罗意进一步提出了 “ 物质波” 思想, 认为 “任何物质都伴随着波, 而且不能将物质 的运动和波的传播分离开”. 他也用了一个简洁的 公式, p = h/λ, 将描述微观粒子属性的动量和描述 波动属性的波长用普朗克常数巧妙地联系起来. 那
网络出版时间：2015-07-06 14:36 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1958.O4.20150706.1436.009.html
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专题:
研究组, 基于 16 种不同轨道角动量叠加态的图像 编码和图样识别技术, 在维也纳城市上空演示了大 气空间中长达 1 km 的实时图像传输, 这表明轨道 角动量在卫星通信系统中具有潜在的实用价值 [40] . 在量子通讯领域, 基于传统光学手段的量子信息协 议目前基本上都是以光子的偏振自由度作为信息 的载体, 而偏振态仅能在二维 Hilbert 空间实现量 子比特的编码. 而如何构建具有实用性的高维量 子体系, 已成为量子信息发展的一个关键问题. 这 是因为高维量子体系具有特殊的优越性, 特别在 有噪声的量子密钥分发协议中可显著提高信息的 容量和安全性 [41] ; 同时, 在高维的量子系统中执行 量子计算, 也可大大简化逻辑运算的复杂程度 [42] . 而光子轨道角动量正好是高维量子信息的理想载 体. 尤其是 2001 年, 奥地利 Vienna 大学 Zeilinger 研究组 [43] 在 《Nature》 报道他们实验观测到自发参 量下转化双光子具有高维的轨道角动量纠缠特性, 从而首次实现了光子角动量与现代量子信息技术 在真正意义上的对接. 2010 年, 英国 Glasgow 大学 Leach 等 [44] 在 《Science》 又报道了角位移和角动量 这对共轭量之间表现出更强的量子关联, 这为提高 未来量子密码网络的带宽带来了崭新的机遇. 由 于这两项开创性的研究工作, 光子角动量目前已 经成为国际上量子信息前沿研究的一大亮点和热 点 [45] . 基于高维轨道角动量纠缠, Zeilinger 研究 组还提出纠缠浓缩协议, 用以制备轨道角动量的最 大化纠缠态 [46] , 这在扩展 Bell 不等式检验 [47] 以及 量子密钥分发技术 [48] 中都是必需的. 另外, 2005 年, Illinois 大学 Kwiat 研究组 [49] 制备了超纠缠态, 即双光子同时纠缠于自旋、 轨道角动量和能量 -时 间这三个不同的自由度. 而超纠缠体系是拓展高维 Hilbert 空间的一种有效工具 [50−53] . 特别是 2008 年, Kwiat 研究组 [54] 在《Nature Physics》上利用 超纠缠态辅助 Bell 态测量, 成功打破了传统线性超 密集编码信道容量的极限. 2011 年, 英国 Glasgow 大学 Padgett 研究组 [55] 也在《Nature Physics》上 发表封面文章, 利用高达 11 维的轨道角动量纠缠 态, 报道了扩展 Bell 不等式的破坏, 这有望成为下 一代量子纠缠的新维度. 2012 年, 意大利 Rome 大 学研究组 [56] 也发展了一种基于轨道角动量的免 调试的量子通信技术. 2014 年, 英国 Glasgow 大学 Padgett 研究组和加拿大 Ottawa 大学 Boyd 研究 组合作, 在 《Nature Communications》 报道他们将 强测量与弱测量两种技术有效结合, 直接测量了高 达 27 维的轨道角动量态矢 [57] .
(d) ℓ = 3 具有三重螺旋的等相位面 [13] ; (e) 形象地说明 ℓ = 3 的三重螺旋相位具有类似意大利面的造型 Fig. 1. (a) The planar phase front of a fundamental Gaussian beam; (b) helical phase front of an ℓ = 1 OAM beam; (c) two-fold helical phase with ℓ = 2; (d) three-fold helical phase with ℓ = 3 [13] ; (e) shows that the wavefront for ℓ = 3 is shaped like fusilli pasta.
关键词: 光子轨道角动量, 量子纠缠, 旋转 Doppler 效应, 量子遥感技术 PACS: 42.50.Tx, 03.67.Mn, 43.28.Py, 07.07.Df DOI: 10.7498/aps.64.164210
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
么, 我们能否将单个光子的自旋和轨道角动量这两
1 引
言
种不同的微观自由度也和电磁波的某些宏观属性 有效对应呢？ 事实上, 光子角动量的研究具有悠久的历史, 至少可以追溯到 1909 年, 当时 Poynting [9] 就意识 到到光具有角动量——自旋角动量, 并率先将光的 自旋角动量与光波的偏振态联系起来. 1936 年, 美 国 Princeton 大学的 Beth 等 [10] 根据四分之一波片 可以改变光波偏振态的特性, 利用力学实验首次巧 妙地验证了左、 右圆偏振光子分别携带 ± 的自旋 角动量. 但直到 1992 年, 荷兰 Leidon 大学的 Allen 等 [11] 才在理论上确认光子也可以携带另外一种形 式的角动量——轨道角动量, 它来源于光波的螺 旋相位 . 他们发现具有相位结构 exp( i ℓϕ) 的光场, 其中 ϕ 是方位角, 如拉盖尔 -高斯光束, 平均每个光 子携带 ±ℓ 的轨道角动量, 其中 ℓ 是任意整数. 如 图 1 所示, 这类光束的等相位面在三维空间中的螺 旋度与旋向分别取决于 ℓ 的绝对值与符号. 特别
[22]
. 由于具有特殊的
相位螺旋结构, 轨道角动量光束在相衬成像系统也 具有新颖的应用, 如图像的边缘增强效应和浮雕效 果 [23−25] . 与轨道角动量密切相关的另一种成像技
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. 例如, 由于轨道角动量光束具有特殊的
[16]
螺旋相位和中空光场, 因此可应用于微观世界的微 操控技术 . 早在 1986 年, Ashkin 等
[17]
就在实
验上证实一束聚焦高斯光束产生的光场梯度力可 用于微观粒子的三维囚禁, 这种技术被形象地称为 “ 光学镊子”. 而利用轨道角动量光束, 不仅可以实 现微粒的光学囚禁, 而且当光束的轨道角动量部分 地传递给微粒后, 后者还会受到一个力矩的驱动而 发生转动 [18,19] , 这一新颖的力学效应被英国 Glasgow 大学 Padgett 教授形象地称为 “光学扳手” [20] . 2001 年, 英国 St Andrews 大学 Paterson 等 [21] 利用 带有轨道角动量的旋涡光束干涉图样, 演示了光 学扳手在生物学微型机械中的应用. 由于高阶轨 道角动量光束对生物组织如细胞或 DNA 分子的热 损伤小, 因此光镊和光扳手两种技术有机结合, 在 微纳尺度下的激光囚禁和操控, 如光学导引、 微马 达等都具有广阔的应用前景